宇宙中的微波背景辐射北京大学-俞允强.pptVIP

宇 宙 中 的 微 波 背 景 辐 射 北京大学 俞允强 一。背景辐射的问题由来 现代宇宙学奠基于20年代。 确立了两个要点： * 发现宇宙在膨胀(Hubble)， * 建立了宇宙膨胀动力学(Freidmann)。 今天看来两者都很对， 但是当时观测可靠度很低， 导致了与事实不符的结果。 当时测出的Hubble常数比实际值大了7倍。 于是推断出的宇宙年龄为实际值的1/7。 T0 = 20亿年。 它比地球年龄还小！ 当时多数人认为这表明： 宇宙膨胀理论不对。 1950年，Gamow却用它研究了 宇宙的早期（最初十万年）。 今天看，Gamow 的理论绝对是 　　　　　　　Noble奖层次上的贡献： 一．早期宇宙中不会有星系和恒星， 　　　今天宇宙的物理状态是演化产生的． 二．提出了一切星系形成前的宇宙是 　　　　　 均匀的高温高密气体的观念． 反对者讥讽地称它为大爆炸理论， 并斥之为伪科学。 一个新物理理论要被人们普遍接受， 　　必须提出关键性的预言， 　 等待将来的观测来证实或证伪． HBB的关键预言就是： 　　　宇宙背景辐射(CBR). 　　这正是我们今天讨论的主题． 二．CBR的提出和发现 Gamow的想法： ＊星系不可能自古存在． ＊星系应来自均匀气体的碎裂（猜想）． ＊时间越早，这均匀气体的温度越高． ＊当 t 10万年，T＞105 K.气体为plasma. ＊热平衡的plasma必包含光子组分． ＊膨胀降温，核与电子必结成中性原子． 　　　　光子将退耦，并遗留至今． 　　　　 这就叫宇宙背景辐射． 背景辐射是早期宇宙留下的遗迹。 问题在于它是否确实存在。 遗留的光子没有热碰撞， 但它依然随宇宙膨胀而降温。 Gamow估出它今天温度应低于10 K. 其主要辐射在射电和微波波段。 其实当时很容易用射电天线观测到它， 可是没有人想做这事。 这肯定是Noble奖的贡献。 可惜！ 65年，Bell电话公司的Penzias and Wilson 意外地在4070MHz上发现了一种背景信号， 温度为3K. 但他们完全不知道这信号来自什么。 Princeton大学的宇宙学家Peebles等人指出 它应当就是他们正在想找的CBR. 这当然是对被斥之为伪科学的HBB的肯定。 78年，很有眼力的评奖委员们决定 授他们予Noble物理奖。 三。COBE对遗留疑问一锤定音 为什么讲Noble评奖委员很有眼力？ 当时其实遗留一个很重要的疑问： 凭什么认为所测到的背景辐射和 HBB预言的背景辐射是一回事？ 很多人意识到， 应当全波段地测量辐射频谱。 HBB预言的CBR应高度与Planck公式一致。 温度为3 K的热辐射的短波段为毫米波。 由于有地球大气的干扰， 来自远处的毫米波信号很难准确测量。 当时不多的几个测量结果引起很大争议。 有的结果表明所测到的背景辐射谱 与Planck谱有很大差别。 要有清楚的回答，只能用观测卫星在地球大 气之外做测量。 COBE卫星应运而生。 COBE是多目标的背景辐射观测卫星。 其目标之一是全波段地测量 微波背景辐射的频谱。 它在30几个波长上同时测量辐射强度， 每个波长上设置了4个接收器。 它上天不久，地面立刻得到了测量结果： 实际存在的背景辐射谱与 T = 2.735 K的Planck热辐射谱高度相符。 这使HBB的可靠性得到了铁证！ 凭什么这么说这是铁证？ 与Planck谱高度相符， 表明辐射源有高度的热平衡。 在已有星系或